1
BÀI GIẢNG CHUYÊN ĐỀ:
NGUYÊN LÝ
VỀ SIÊU ÂM CHẨN ĐOÁN
Biên soạn: TS.Hoàng Anh
2
MỤC TIÊU CHUYÊN ĐỀ:
Sau khi học xong chuyên đề “Nguyên lý về siêu âm chẩn đoán”,
người học nắm được những kiến thức có liên quan như: Một số tính chất
vật lý của siêu âm; Quá trình lan truyền sóng âm trong cơ thể; Nguyên lý
cấu tạo máy siêu âm; Các kiểu siêu âm.
3
NỘI DUNG
I. MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA SIÊU ÂM
Siêu âm là một loại dao động cơ học được truyền đi trong một môi
trường vật chất nhất định. Năng lượng cơ học này tác động vào các phân tử
vật chất của môi trường làm cho chúng dao động khỏi vị trí cân bằng, mặt
khác do tương tác mà các phân tử bên cạnh nó cũng chụi ảnh hưởng và dao
động theo, tạo thành sóng lan truyền cho tới khi hết năng lượng. Chính vì vậy,
siêu âm không thể truyền ở môi trường chân không như các sóng điện từ.
Âm thanh được chia thành 3 loại dựa theo tần số. Những âm thanh có
tần số dưới 16Hz mà tai người không thể nghe được là hạ âm, như sóng địa
chấn. Các sóng âm có dải tần từ 16Hz đến 20.000Hz được gọi là âm nghe
được, còn siêu âm có tần số trên 20.000Hz. Như vậy,về bản chất siêu âm
cũng không có gì khác với các dao động cơ học khác và nó cũng được đặc
trưng bởi một số đại lượng vật lý như: tần số, biên độ, chu kỳ...
- Chu kỳ là khoảng thời gian thực hiện một nén và dãn. Đơn vị thường
được tính bằng đơn vị đo thời gian (s, ms...)
- Biên độ là khoảng cách lớn nhất giữa 2 đỉnh cao nhất và thấp nhất.
- Tần số (f) là số chu kỳ giao động trong 1 giây, đơn vị đo là Hz.
- Bước sóng (λ) là độ dài của 1 chu kỳ giao động. Bước sóng thường
được đo bằng đơn vị đo chiều dài như mm, cm
- Tốc độ siêu âm (c) là quãng đường mà chùm tia siêu âm đi được trong
1 đơn vị thời gian, thường được đo bằng m/s. Tốc độ siêu âm không phụ
thuộc vào công suất của máy phát mà phụ thuộc vào bản chất của môi trường
truyền âm. Những môi trường có mật độ phân tử cao, tính đàn hồi lớn siêu âm
truyền tốc độ cao và ngược lại những môi trường có mật độ phân tử thấp tốc
4
độ sẽ nhỏ. Ví dụ xương từ 2700-4100m/s; tổ chức mỡ 1460-1470m/s; gan
1540-1580m/s; phổi 650-1160m/s; cơ 1545-1630m/s; nước 1480m/s... Trong
siêu âm chẩn đoán người ta thường lấy giá trị trung bình của tốc độ siêu âm
trong cơ thể là 1540m/s. Giữa tốc độ truyền âm, bước sóng và tần số có mối
liên hệ qua phương trình sau:
C = λ. f
- Năng lượng siêu âm (P) biểu thị mức năng lượng mà chùm tia siêu âm
truyền vào cơ thể. Giá trị này phụ thuộc vào nguồn phát, trong siêu âm chẩn
đoán để đảm bảo an toàn các máy thường phát với mức năng lượng thấp vào
khoảng 1mw đến 10mw. Tuy nhiên, trong các kiểu siêu âm thì siêu âm
Doppler thường có mức năng lượng cao hơn. ở các máy siêu âm hiện đại
người sử dụng có thể chủ động thay đổi mức phát năng lượng để nâng cao
hơn tính an toàn cho bệnh nhân, nhất là đối với thai nhi và trẻ em.
- Cường độ sóng âm là mức năng lượng do sóng âm tạo nên trên 1 đơn
vị diện tích. Thường được đo bằng đơn vị W/cm2. Cường độ sóng âm sẽ suy
giảm dần trên đường truyền nhưng tần số của nó không thay đổi. Người ta
còn tính cường độ sóng âm tương đối đo bằng dB. Khác với cường độ sóng
âm, đại lượng này là một giá trị tương đối, nó cho biết sự khác nhau về cường
độ siêu âm tại 2 vị trí trong không gian.
Sơ đồ minh hoạ cách tính các chu kỳ, biên độ, bước sóng, tần số siêu âm
5
II. QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN SÓNG ÂM TRONG CƠ THỂ
1. Trong môi trường đồng nhất
Là môi trường có cấu trúc giống nhau, đặc trưng cho mỗi một môi
trường là một hệ số mật độ môi trường (ρ). Khi chiếu một chùm tia siêu âm
vào một môi trường đồng nhất, nó sẽ xuyên qua với một năng lượng giảm dần
cho tới khi hết năng lượng. Sở dĩ có sự suy giảm năng lượng trên đường
truyền là do có sự tương tác giữa siêu âm và các phần tử nhỏ của cơ thể gây
ra hiệu ứng toả nhiệt và tạo vi bọt, tuy nhiên do siêu âm chẩn đoán sử dụng
công suất thấp nên chúng ta không cảm thấy sự tăng nhiệt độ này trong quá
trình thăm khám. Mỗi một môi trường có hệ số hấp phụ siêu âm (α) khác
nhau, nên mức độ suy giảm siêu âm cũng khác nhau. Ngoài ra độ suy giảm
siêu âm còn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường và tần số của chùm tia
siêu âm, khi tần số càng cao mức độ suy giảm càng nhanh nên độ xuyên sâu
càng kém. Trong siêu âm hệ số (α) thường được tính bằng đơn vị dB/cm ở tần
số 1MHz. Một số tổ chức, cơ quan trong cơ thể có hệ số hấp phụ như sau:
Phổi 41; xương sọ 20; cơ 3,3; thận 1; gan 0,94; não 0,85; mỡ 0,65; máu 0,18;
nước 0,0022. Ví dụ khi chiếu chùm tia siêu âm với tần số 1 MHz qua 1cm
thận cường độ siêu âm sẽ bị giảm đi 1dB. Tương tự như vậy chùm tia siêu âm
sẽ bị giảm năng lượng nhiều khi chiếu qua phổi, xương và hầu như không
thay đổi khi xuyên qua máu và nước. Trong thực hành lâm sàng mức độ suy
giảm siêu âm còn cao hơn nữa vì thông thường chúng ta sử dụng đầu dò có
tần số lớn hơn 1MHz, tuy nhiên nếu nói chính xác mối quan hệ giữa tần số và
hệ số hấp phụ không hoàn toàn tuyến tính, nhưng trong giải tần số của siêu
âm chẩn đoán thông thường, chúng ta có thể coi gần như tuyến tính nghĩa là
khi tần số tăng lên 2MHz thì hệ số hấp phụ tăng lên gần gấp đôi. Do đó, muốn
nâng cao độ xuyên sâu để thăm khám các bộ phận ở xa đầu dò người thầy